[Paper] ShadowDraw：从任意对象到阴影绘画构图艺术

Source: arXiv - 2512.05110v1

Overview

本文提出 ShadowDraw，一个新颖的框架，可将任意 3D 对象——无论是 CAD 模型、3D 扫描还是程序生成的资产——转化为“一笔阴影”艺术作品。系统会自动选择相机姿态、光照以及稀疏的线稿，使对象的投影阴影补全绘图，形成既手绘感又数学精确的可辨识插图。

Key Contributions

• 端到端流水线：接受原始 3D 网格，输出组合式线稿以及互补的阴影，二者共同构成连贯的插图。
• 姿态、光照与草图的联合优化：在保持线条简洁美观的同时，最大化阴影的语义相关性。
• 阴影‑线条引导：利用阴影几何作为生成线稿的支架，确保两种模态相互强化。
• 自动质量度量：用于评估阴影‑绘图的一致性，支持大规模无人工标注的评估。
• 可扩展性：适用于多对象场景、动画序列以及真实物理设置（例如将草图投射到桌面并投射真实阴影）。

Methodology

1. 输入预处理 – 系统读取 3D 网格，归一化其尺度，并可选地进行简化以加快渲染。
2. 场景参数搜索 – 可微渲染器探索相机位置和光照方向。目标函数平衡两项：(a) 阴影显著性（阴影应传达可辨识的形状线索）和 (b) 线条简洁性（草图应使用尽可能少的笔画）。
3. 阴影‑线条耦合 – 在找到有前景的姿态后，将阴影轮廓栅格化为一组“阴影笔画”。这些笔画被送入轻量级草图生成器（基于 CNN 的边缘提取器，已在艺术线稿上微调），生成互补的线条艺术。
4. 一致性强化 – 自动评估器测量阴影笔画与生成线稿之间的对齐程度（如重叠、角度一致性）。优化器迭代直至一致性得分趋于平稳。
5. 输出渲染 – 最终组合以矢量图形（SVG）形式输出，便于缩放，同时提供深度感知的阴影图，可用于动画或物理投影。

整个流水线在现代 GPU 上仅需数秒即可完成，适用于交互式设计工具。

Results & Findings

• 视觉质量 – 在包含 500 种多样对象（真实扫描、ShapeNet 模型以及 AI 生成资产）的基准测试中，92 % 的输出在盲测中通过了可辨识性和艺术吸引力的评判。
• 多对象场景 – 优化器能够同时定位多个对象，使它们的阴影交织，形成复杂的叙事构图（例如由单个建筑的阴影组成的城市天际线）。
• 动画 – 在保持草图不变的情况下平滑变化光照方向，系统可生成帧间视觉一致的动画阴影‑绘图视频。
• 物理部署 – 作者展示了一个桌面实验：打印的草图配合小型 LED 光源即可在真实世界中复现数字结果，证明生成的参数是可实现的。

Practical Implications

• 视觉设计师的快速原型 – 艺术家只需将 3D 资产输入 ShadowDraw，即可瞬间获得可用于品牌、分镜或 UI 图标的风格化插图，省去数周的手工绘制。
• 游戏与 AR 内容创作 – 开发者可生成带动态阴影的低多边形线稿资产，用于风格化游戏 UI、教程叠加或响应真实光照的 AR 滤镜。
• 教育工具 – 系统可通过展示最小线稿与阴影共同完整描述对象的方式，帮助讲解几何概念（如光与形状的交互）。
• 自动化资产流水线 – 与现有 3D 资产管理工具（如 Blender、Unity）集成，实现批量处理库，保持产品线视觉语言的一致性。

Limitations & Future Work

• 对干净几何的依赖 – 噪声较大的扫描或非流形边缘的网格会导致不稳定的阴影轮廓，需要预处理。
• 光照模型过于简化 – 当前流水线仅假设单一方向光；复杂的室内光照或彩色阴影尚未支持。
• 草图风格刚性 – 虽然线条生成器能产生干净笔画，但尚未提供用户可控的艺术风格（如阴影、交叉阴影）。
• 对超高多边形模型的可扩展性 – 虽然优化器快速，但渲染极密集网格仍可能成为瓶颈；未来工作可引入网格简化或多分辨率策略。

作者建议将框架扩展到多光源环境，学习风格迁移模块以实现多样化草图美学，并与物理制造流水线（如激光切割阴影掩模）更紧密结合。

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ShadowDraw 为算法几何与手工插画的结合开辟了新路径，为开发者提供了将 3D 数据转化为引人入胜的视觉故事的强大工具。

Authors

• Rundong Luo
• Noah Snavely
• Wei-Chiu Ma

Paper Information

• arXiv ID: 2512.05110v1
• Categories: cs.CV, cs.AI, cs.GR
• Published: December 4, 2025
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